铜催化二氧化碳参与的不对称羧基化反应研究

With great impact on fundamental research and industrial application, it is highly important to efficiently convert cheap and readily available industrial raw materials and even wastes to construct chiral compounds with high value. Chiral carboxylic acids, which widely exist in medicines, pesticides and materials, have a wide range of applications. Among them, chiral carboxylic acids bearing quaternary carbon stereocenters are one kind of important motifs in many natural products and drug molecules due to their special chemical properties and biological activity. As there are many challenges and limitations for the synthesis, it is highly demanded to develop concise, efficient and practical synthetic methods via asymmetric catalysis. On the other hand, carbon dioxide, a well-known greenhouse gas, is an inexpensive, readily available, non-toxic and renewable one carbon resource. Therefore, efficient utilization of CO2 in synthesis is of great significance. However, due to its thermodynamic stability and kinetic inertness, the asymmetric catalytic transformation with carbon dioxide presents a huge challenge. This project aims to develop a highly efficient copper-catalytic system, apply carbon dioxide in the novel asymmetric carboxylations of 1,3-dienes under mild conditions, and achieve precise control of chemo-, regio- and enantio-selectivities to construct important functionalized chiral carboxylic acids bearing quaternary carbon stereocenters, which turns waste into treasure. Along with further mechanistic studies, this project will lay a foundation for its extensive application in chemical, pharmaceutical and materials fields and large-scale production in industry.

基于廉价易得工业原料和废弃物的高效转化，精准构建具有高附加值的手性化合物，具有重要学术意义和工业应用前景。手性羧酸大量存在于医药、农药和材料中，具有广泛用途。其中，手性季碳羧酸由于其特殊理化性质和生物活性，是许多天然产物和药物分子的重要基团。由于其合成方法存在诸多挑战和局限，人们迫切需要发展更加简洁、高效且更加广谱和实用的不对称催化合成方法。另一方面，温室气体二氧化碳是廉价易得、无毒且可再生的碳一资源，实现其有效利用具有重要意义。但由于其热力学稳定性和动力学惰性，二氧化碳参与的不对称催化转化存在巨大挑战。本项目拟开发高效的铜催化体系，发展二氧化碳在温和条件下参与1,3-二烯的不对称羧基化新反应，实现化学选择性、区域选择性和对映选择性的精准控制，高效高选择性构建官能团化的手性季碳羧酸，变废为宝，并深入研究机理，为其在化学、医药和材料等领域中的广泛运用和实现规模化生产奠定基础，具有重要意义。

基于廉价易得工业原料和废弃物的高效转化，精准构建具有高附加值的手性化合物，具有重要学术意义和工业应用前景。手性羧酸大量存在于医药、农药和材料中，具有广泛用途。其中，手性季碳羧酸由于其特殊理化性质和生物活性，是许多天然产物和药物分子的重要基团。由于其合成方法存在诸多挑战和局限，人们迫切需要发展更加简洁、高效且更加广谱和实用的不对称催化合成方法。另一方面，温室气体二氧化碳（CO2）是廉价易得、无毒且可再生的碳一资源，实现其有效利用具有重要意义。但由于其热力学稳定性和动力学惰性，CO2参与的不对称催化转化存在巨大挑战。.在该项目支持下，我们系统发展了镍、铜等多种廉价过渡金属催化体系，利用CO2作为羧基源，在温和条件下实现了多种不对称羧化反应，高效构建了手性季碳羧酸。例如，我们成功实现了首例镍催化CO2参与的烯烃不对称碳-羧基化反应，高化学、区域和对映选择性地得到含3位手性季碳中心的氧化吲哚乙酸类化合物，快速合成了天然产物(-)-Esermethole、(-)-Physostigmine和(-)-Physovenine的关键中间体，并实现了天然产物(-)-Debromoflustramide B、(-)-Debromoflustramine B和(+)-Coixspirolactam A的全合成。另外，我们系统研究了手性铜催化体系，在温和条件下调控化学选择性、区域选择性和对映选择性，精准实现了一系列1,3-丁二烯的不对称氢羧基化、硼羧基化以及双羧基化反应，高效构建了手性季碳羧酸、硼基取代手性羧酸、手性己二酸及其相关的重要天然产物以及药物分子。这些工作开辟了CO2参与手性天然产物全合成的新方向，为CO2资源化利用提供了新思路，并为其在化学、医药和材料等领域中的广泛运用和实现规模化生产奠定基础，具有重要意义。